Étude des champs magnétiques cosmologiques durant les transitions de phase de l'Univers primordial

Cosmological magnetic fields from phase transitions in the early Universe

• Auteur / Autrice : Théo Boyer
• Direction : Andrii Neronov, Dmitri Semikoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 28/11/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Simona Mei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Axel Brandenburg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Stamerra, Ruth Durrer
• DOI : 10.70675/978b29d7z8343z48a4zb651z5bf87da2d5e2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Transitions de phases

Champs magnétiques (physique spatiale)

Baryons

Mots clés libres

Cosmologie

Transitions de phase

Champs magnétiques cosmologiques

Baryogénèse

Cosmology

Phase transitions

Cosmological magnetic fields

Baryogenesis

Résumé

Une classe particulière de champs magnétiques est celle des champs magnétiques intergalactiques (IGMF), qui semblent exister au sein des vastes vides entre les galaxies. Des preuves indirectes de leur existence ont émergé à partir des observations gamma de blazars lointains. Si ces champs s'avèrent primordiaux, ils seraient une fenêtre unique des premiers instants de l'Univers, avant même la recombinaison et la nucléosynthèse primordiale (BBN). Ce manuscrit se concentre sur la magnétogenèse lors des transitions de phase cosmologiques, avec une attention particulière portée à la transition électrofaible (EWPT). Les transitions de phase du premier ordre (FOPT), en particulier, sont des candidates prometteuses pour la magnétogenèse. Elles impliquent la nucléation de bulles, la libération de chaleur latente, et des turbulences, autant de phénomènes capables de générer de la vorticité et d'amorcer la création de champs magnétiques. Ce travail de thèse étudie les transitions de phase dans l'Univers primordial et leur lien avec la génération de champs magnétiques primordiaux. Le Chapitre 3 explore le potentiel d'observation du futur détecteur d'ondes gravitationnelles spatial LISA. En s'appuyant sur les travaux de Roper Pol et al., nous quantifions le signal d'ondes gravitationnelles (GW) produit par les collisions de bulles, les ondes sonores et la turbulence dans le plasma au cours d'une FOPT. La détection de ces signaux peut être cartographiée dans l'espace des paramètres de la transition de phase. Nous estimons également les champs magnétiques associés qui seraient générés lors de ces FOPT, et évaluons s'ils pourraient également être sondés par LISA. Au Chapitre 4, l'attention se porte sur le projet Pulsar Timing Array (PTA), sensible à des fréquences bien plus basses. Les données récentes de différentes collaborations PTA ont suggéré l'existence d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles (SGWB), potentiellement d'origine cosmologique. En supposant que ce fond soit généré par une FOPT, nous déterminons la région de l'espace des paramètres de transition compatible avec le signal observé. Comme précédemment, nous calculons l'intensité attendue et la longueur de corrélation des champs magnétiques associés. Le Chapitre 5 aborde le lien entre les champs magnétiques et l'asymétrie baryonique de l'Univers. Les observations montrent un excès faible mais non nul de matière sur l'antimatière, quantifié par le rapport baryons sur entropie. Certains scénarios impliquant des champs hypermagnétiques avant la EWPT peuvent générer cette asymétrie baryonique. Toutefois, des études récentes affirment que la baryogénèse induite par ces champs engendrerait des perturbations isocourbes baryoniques excessives. Ce travail réexamine ces conclusions et, en incorporant des modèles mis à jour de l'évolution des champs magnétiques, montre que ces contraintes ne seraient pas violées, et que la baryogénèse induite par les champs magnétiques pourrait être compatible avec les contraintes actuelles sur les IGMF. Enfin, le Chapitre 6 étudie la possibilité d'une magnétogenèse durant le crossover électrofaible, en restant dans le cadre du Modèle Standard. Bien que les crossovers ne présentent pas la dynamique violente et hors d'équilibre des FOPT, il a été proposé que des gradients dans le champ de Higgs, résultant des fluctuations thermiques pendant la transition, pourraient agir comme source de champs magnétiques. Ce mécanisme des gradients du Higgs est examiné à l'aide de simulations sur réseau via le code COSMOLATTICE, afin d'évaluer la viabilité de la génération de champs magnétiques en l'absence de FOPT. Un lien peut ainsi être établi entre le scénario de baryogénèse induite par des champs magnétiques et cette magnétogenèse dans un scénario de crossover électrofaible.

A particular class of magnetic fields is the intergalactic magnetic fields (IGMFs), which appear to fill the vast voids between galaxies. Evidence for their existence has emerged from indirect signatures in gamma-ray observations of distant blazars. If primordial, these fields would offer a unique probe of the Universe's earliest moments, prior to recombination and even Big Bang Nucleosynthesis (BBN). This manuscript focuses on magnetogenesis during cosmological phase transitions, with particular attention to the EWPT. The nature of a phase transition, whether first order, second order, or a crossover, plays a crucial role in determining whether it can serve as a source of primordial magnetic fields. First-order phase transitions (FOPTs), in particular, are promising candidates for magnetogenesis. These involve bubble nucleation, release of latent heat, plasma flows, and turbulence, all of which can generate vorticity and seed magnetic fields. This PhD work investigates several aspects of early Universe phase transitions, their role in the generation of primordial magnetic fields, and the implications for gravitational waves and the baryon asymmetry of the Universe (BAU). Chapter 3 explores the observational potential of the upcoming space-based gravitational wave detector LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Based on the work of Roper Pol et al., we quantify the gravitational wave (GW) signal arising from bubble collisions, sound waves, and turbulence in the plasma during a FOPT. The detectability of these signals can be mapped in the phase transition parameter space taking into account the strength, duration, temperature, and bubble wall velocity. Additionally, we estimate the associated magnetic fields that would be generated during these FOPTs and assess whether they can also be probed by LISA. In Chapter 4, attention shifts to the Pulsar Timing Array (PTA) project, which is sensitive to much lower frequencies in the nano-Hertz band. Recent data from various PTA collaborations ( NANOGrav, EPTA, PPTA, CPTA) have suggested the existence of a stochastic gravitational wave background (SGWB), potentially from a cosmological source. Assuming this background is generated by a FOPT, we determine the FOPT parameter space region compatible with the observed signal. As before, we compute the expected strength and correlation length of the associated magnetic fields. Chapter 5 addresses the link between magnetic fields and the baryon asymmetry of the Universe. Observations show a small but non-zero excess of matter over antimatter, quantified by the baryon-to-entropy ratio. Scenarios involving hypermagnetic fields prior to the EWPT can generate a chiral imbalance that is converted into baryon number via quantum anomalies. However, recent studies claim that magnetic-field-driven baryogenesis leads to excessive baryon isocurvature perturbations, which would alter primordial element abundances during BBN. This work revisits those conclusions and, incorporating updated models for magnetic field evolution, finds that the isocurvature constraints may not be violated as previously thought, and that magnetic-field-driven baryogenesis could be consistent with the current constraints on IGMF. Finally, Chapter 6 investigates the possibility of magnetogenesis during the electroweak crossover staying in the fram of the Standard Model. Although crossovers lack the violent, out-of-equilibrium dynamics of FOPTs, it has been proposed that gradients in the Higgs field, arising from thermal fluctuations during the transition, could act as a source of magnetic fields. This Higgs gradient mechanism is examined using lattice simulations via the COSMOLATTICE code, evaluating the viability of magnetic field generation in the absence of a FOPT. A link can be established between the magnetic-field-driven baryogenesis scenario and this magnetogenesis during electroweak crossover scenarios.